サイズの小型化と大きいリップル電流能力の両方を満たすために、入力コンデンサを注意深く選択します (詳細については、『降圧コンバータの入力コンデンサの選択方法』アナログ アプリケーション ジャーナルを参照してください)。

最大電力トラッキング 99.5% など、満足のいく MPPT 効果を得るには、入力リップル電圧が小さいことを確認してください。多くのパネルでは、V_panel が V_mpp の 97.5% ～ 102.5% の範囲内にある場合、パネルの出力電力は最大電力の 99.5% を超えます。12V バッテリ システムでは、入力リップル電圧が 0.3V 以内になるように、パネルの V_mpp が 12V を上回ることを確認します。24V バッテリ システムでは、入力リップル電圧が 0.6V 以内になるように、パネルの V_mpp が 24V を上回ることを確認します。したがって、0.3V が最大入力リップル電圧 (ΔV_in) となります。

図 2-12 入力電流波形

入力コンデンサを流れる AC 電流は、入力電圧リップルを生じさせます。リップル電流の大部分は MLCC を通過しますが、等価直列抵抗 (ESR) が低いため、ここから生じるリップル電圧は無視できます。残りのリップル電流がシステムに存在する場合、これは電解コンデンサを流れます。電解コンデンサの ESR はかなり大きくなりますが、AC 電流は比較的小さくなります。その結果、入力電圧リップルに対する全体的な影響は無視できます。

式 3 を使用して、リップル電圧の要件を満たすために必要な実効キャパシタンスを推定します。50% デューティ サイクルでは、C_IN が 最大になります。

I_o が 16A、f_sw が 250kHz の場合、C_IN は 53μF より大きくする必要があります。電圧上昇に伴う MLCC の DC バイアス効果を考慮すると、実際の値は現実の状況によっては大きくする必要があります。

加えて、入力コンデンサは、リップル電流に起因する熱ストレスへの対応、フットプリントの拡大、温度上昇の抑制にも対応する必要があります。入力リップル電流の二乗平均平方根 (RMS) 電流を計算するには、式 4 を使用します。

デューティ サイクルは、入力 RMS リップル電流にかなりの影響を及ぼします。図 2-13 は入力 RMS 電流の負荷電流比とデューティ サイクルのプロットであり、そこからリップル電流の最大 RMS を読み取ることができます。リップル電流が最大になるのは、デューティ サイクルが 0.5 のときです。Iin_rms の最大値は 8.2A です。MLCC の温度上昇を低減するために、1210 フットプリントを選択します。一方、大容量のコンデンサ を 1 つ使用するよりも、小容量の複数のコンデンサを並列接続する方が適しています。

図 2-13 入力 RMS、負荷電流比とデューティ サイクルとの関係

特に di/dt と dv/dt の傾きが大きい GaN デバイスを使用する場合、等価直列インダクタンス (ESL) が小さく ESR が小さい追加の小型 MLCC を、FET の入力側にできるだけ近づけて配置します。このような MLCC は、効率を犠牲にすることなく、スイッチング ノード波形のオーバーシュートを大幅に低減できます。

システムの応答速度が重要である場合、過渡応答を満足するために、アルミ電解コンデンサなどのバルク コンデンサを追加することもできます。電解コンデンサの ESR が高いため、入力リップル電圧を ESR で除算することでリップル電流を概算できます。また、波形は三角波なので、式 5 で RMS 値を推定できます。

バルク コンデンサを選択する際は、RMS 電流の許容誤差が小さいため注意が必要です。